地震安评中天然地震波选取方法研究

汪飞

摘要：大型振动台物理模拟试验是揭示强震作用下边坡动力响应和失稳破坏过程的最为有力的手段之一，而动力荷载的选择又对于岩质边坡振动台试验研究具有重要的影响。天然地震波是在天然地震时，数字地震台网记录到的地震波，天然地震波可以反映地震真实动力输入，也是动力荷载输入的数据基础。普遍认为场地条件对天然地震波的传播有较大的影响，经过土层场地或基岩场地不同介质时，波会发生散射、反射和偏转，地震动幅值特性和地震动频谱特性都会发生改变，并直接影响到地震灾害的分布。因此，不同场地条件下的天然地震动参数具有不同的特性，不同的参数特性会引起不同的地震反应结果。本文主要分析地震安评中天然地震波选取方法。

关键词：地震安全性评价；时程分析；输入地震波

引言

《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中明确指出：为保证甲类建筑和超高层建筑的抗震安全，在进行抗震设计验算时除了采用反应谱法外，还应采用时程分析法计算多遇地震下结构的抗震承载力。时程分析法分析结果的可靠性，主要取决于建筑结构模型和输入地震动的精确性，输入地震波不同，时程分析法所得结构地震反应相差甚远，计算出的弹塑性位移和内力相差可达几倍、甚至几十倍之多。因此，地震波的合理选择是时程分析结果能否满足工程抗震设计要求的必要前提。但是，由于地震动是时频非平稳随机过程，不仅受到震源性质、传播介质和场地条件等诸多因素的影响，还要考虑地震环境、地震波数量、地震幅值和持时等综合因素。因此合理选择输入地震动进行结构时程分析是地震安评工作中面临的巨大挑战。

1、工程中常用的选波方法概述

时程分析法实施的前提是地震波输入的确定性，地震动输入时程选取的好坏直接决定了建筑结构未来遭受地震时动力响应的合理性。一般认为，应从地震动峰值、频谱特性及持时等三要素与抗震规范给出的设计反应谱相近作为选波的控制条件，从而使选择的多样本地震动输入下结构地震反应具有一定的群聚效应，否则多波验算结果产生过大的离散性将很难指导设计。因此，国内外共识性的选波规则是将输入地震动的反应谱与规范给出的设计反应谱进行频谱对照以获取相似的频谱特征，然后进行等比例的峰值调整以获取相似的幅值特征，我国的抗震设计规范即采用了这种思路，即指出了用于时程分析的地震动记录的反应谱应与振型分解反应谱法采用的反应谱在统计意义上相似。在安评工程应用中常用的选波方法如下所述。

1.1按场地类别选波

根据建筑物所在场地类别、地震分组，再考虑建筑物的抗震设防烈度，选择以往地震中获取的具有相同场地类别和抗震设防烈度地区的天然地震动记录。但是这一方法存在如下局限性：烈度和场地类别的判别都是半经验的方法，所谓的相同烈度、相同场地类别在物理含义上往往相差甚远，从而选择的地震动差异具有很大的不确定性。

1.2按反应谱面积选波

该方法以选择的输入地震动反应谱和规范设计反应谱分别与横坐标所围面积作为类比对象，以实现所选地震动的反应谱与标准反应谱“统计意义上相符”。由于忽视了地震波的频谱特性，因此这种方法将会大大地增加了时程分析过程中的不确定性，并且利用两曲线所围面积来近似完成两曲线间的逼近在数学上也是不合理的。

2、地震波速度影响因素

为了更好地揭示地震波速度变化的内在性质和机理，解释影响速度因素的最合理分析方法应该是单因素的诱导和分类。因此，根据唯物辩证法内外因素的辩证法原理，影响地震波传播速度的因素可分为两类：内部地质因素和外部环境因素或场效应。第一个主要涉及岩石的矿物成分、孔隙和孔隙填料等几个因素。后者主要是指影响岩石特性的外部环境因素，或者被称为外部场，主要包括压缩场、温度场以及与岩石成岩和变质有关的其他物理化学场。关于影响因素，不同岩石的影响不同，或者影响权重不同。以自然界广泛分布的三类岩石为例，沉积岩、变质岩、岩浆岩，孔隙率可以说是影响各类岩石速度的关键因素。即孔隙率的变化在三种岩石各自速度的变化中具有较大的权重。当我们注意到三种岩石速度分布的一般规律时，通常表明岩浆岩石速度最高，变质岩石居第二位，沉积岩最低。规律性主要是由于沉积岩孔隙率普遍较高，其次是变质岩石和岩浆岩石。对于沉积岩来说，速度变化范围因孔隙度变化范围广而最大。对于岩浆岩石，孔隙率变化范围狭窄，因此速度变化范围较小。从这个角度来看，孔隙对沉积岩速度变化的影响比变质岩和岩浆岩要重要得多。此外，对于同一岩石，它通常随着勘探开发条件和环境的变化而变化。以温度为例，在常规水库利用中，地热梯度条件下温度对岩石速度的影响一般很小，甚至微不足道。但是，对于稠油热回收来说，通过燃烧稠油或在高温下将热蒸汽注入土壤，地层温度会发生很大变化，届时温度将成为速度变化的重要因素之一。

3、目标谱设定及地震波选择

选择合理的地震动记录与给定的工程地震危险性相关信息有着直接的关系。确定地震危险性评价（DSHA）以及概率地震危险性评价（，PSHA）是当前工程场地危险性评价的主流分析手段，规范给出的设计反应谱就是基于PSHA得到的。不同的评价方法得到的地震学参数信息会有所不同，从而也使选波思路和方法会稍有差异。DSHA方法可方便获取震级、断层距等地震学参数，然后可以根据场地土类型选择满足地震学参数要求和目标谱要求的地震动记录；PSHA方法同样可以通过解集方法得到震级和断层距等地震学参数，从而可以与DSHA方法相同的方式选择地震动记录。但是，大部分分析和设计都是以规范给定的设计反映谱作为目标谱，并没有明确的地震学参数可供参考，只提供一些反映这些地震学参数的地震动参数，因而只能通过拟合反映谱来选波，并使获取记录的地震动参数与设定参数相近。从而选择地震动记录的思路可分为三步：①根据强震记录的地震学参数或已知条件，如场地条件、震级和震中距等选择与设定地震和设计场地特征相近的记录；②根据地震动参数，如强震持时、峰值加速度和卓越周期等，选择与设定的参数相近的记录；③从上述两步筛选出的记录中选择一组记录，计算记录的平均反映谱，使其与目标谱在设定周期段吻合。从上述步骤中可以看出，第三步是整个选波过程的关键。

4、利用安评结果选择天然波

地震发生具有极大的不确定性，如何合理设置工程抗震设防等级，是抗震设防面临的一项重要工作，经过多年的探索研究，目前广泛应用的概率地震危险性分析方法是较好地解决地震发生不确定性的较优解决方案。地震危险性分析概率方法通过计算场地具有概率含义的地震动参数（如峰值加速度，PGA）为抗震设防提供重要依据。工程场地地震安全性评价的主要目标是获取地表设计地震动参数，为实现这一目标，需要通过地震活动性评价和地震构造评价获取震源参数，并通过以往地震震害和地震动观测记录经验获取地震动衰减关系，然后利用考虑时空非均匀的概率地震危险性分析方法获取场地基岩地震动参数，最后经过土层地震反应获取场地地表地震动参数（峰值、反应谱和时程）。

结束语

本文总结了目前工程界常见的时程反应分析的选择输入地震动记录的方法，并提出了一种基于地震安评结果所获取的地震动反应谱作为目标谱选择地震记录的方法，并对一种长周期的钢筋混凝土框架核心筒体结构进行了弹性时程分析以对选择的地震动记录进行验证，根据不同的地震动记录选取方法所对应的结构弹性地震响应结果，得到以下结论：（1）结构时程分析时通常采用的经典记录计算结果离散性较大，不能完全满足规范要求，对于不同结构，不加选择地使用同样的几条经典记录，易造成设计结果偏差较大，难以满足设计要求；（2）基于地震安评结果，提出了优化选择地震动记录样本的方法，可使选择的样本记录平均谱与目标谱较好的吻合，并且各记录反应谱之间的离散性较小，算例验证了提出的方法的正确性和有效性。

参考文献：

1. 林凡生，邹志辉．2017．基于波形相似性的远震初至拾取方法进展与对比研究[J]．地球物理学进展，32（4）：1597-1606．

2. 刘佳楠，武杰．2018．基于全卷积神经网络的地震初至波拾取[J]．信息技术与网络安全，37（11）．2018．11．014．

3. 刘建伟，刘媛，罗雄麟．2014．深度学习研究进展[J]．计算机应用研究，31（7）：1921-1930．

4. 刘洁，张建中，孙运宝，等．2016．地震子波估计方法对比研究[J]．地球物理学进展，31（2）：723-731．

[5]刘志成．2007．初至智能拾取技术[J]．石油物探，46（5）：521-530．